快速成型技术及其向产品化生产发展所面临的技术问题

快速成型技术及其向产品化生产发展所面临的技术问题

快速成型技术问世以来，已实现了相当大的市场，发展非常迅速。人们对材料逐层添加法这种新的制造方法已逐步适应。该技术通过与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段结合，已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段，在航空航天、汽车摩托车、家电等领域得到了广泛应用。

1快速成型技术的优点

1）快速成型作为一种使设计概念可视化的重要手段，计算机辅助设计零件的实物模型可以在很短时间内被加工出来，从而可以很快对加工能力和设计结果进行评估。

2）由于快速成型技术是将复杂的三维型体转化为两维截面来解决，因此，它能制造任意复杂型体的高精度零件，而无须任何工装模具。

3）快速成型作为一种重要的制造技术，采用适当的材料，这种原型可以被用在后续生产操作中以获得最终产品。

4）快速成型操作可以应用于模具制造，可以快速、经济地获得模具。

5）产品制造过程几乎与零件的复杂性无关，可实现自由制造，这是传统制造方法无法比拟的。

2快速成型的基本原理

基于材料累加原理的快速成型操作过程实际上是一层一层地离散制造零件。为了形象化这种操作，可以想象一整条面包的结构是一片面包落在另一片面包之上一层层累积而成的。快速成型有很多种工艺方法，但所有的快速成型工艺方法都是一层一层地制造零件，区别是制造每一层的方法和材料不同而已。

2. 1快速成型的一般工艺过程原理

三维模型的构造

在三维CAD设计软件（如P⑹E\UG\SolidWorks\SolidEdge 等）中获得描述该零件的CAD文件。目前一般快

速成型支持的文件输出格式为5TL模型，即对实体曲面近似处理，即所谓面型化仃essallation）处理，是

用平面三角面片近似模型表面。这样处理的优点是大大地简化了GAD模型的数据格式，从而便于后续的分

层处理。由于它在数据处理上较简单，而且与CAD系统无关，所以很快发展为快速成型制造领域中CAD系统与快速成型机之间数据交换的准标准，每个三角面片用4个数据项表示，即3个顶点坐标和法向矢量，而

整个CAD模型就是这样一组矢量的集合。

在三维CAD设计软件对模型进行面型化处理时，一般软件系统中有输岀精度控制参数，通过控制该参数，

可减小曲面近似处理误差。如Pro/E软件是通过选定弦高值（eh-chord height）作为逼近的精度参数，如图

1为一球体，给定的两种ch值所转化的情况。对于一个模型，软件中给定一个选取范围，一般情况下这个范围可以满足工程要求。但是，如果该值选的太小，要牺牲处理时间及存贮空间，中等复杂的零件都要数兆甚至数十兆左右的存贮空间。并且这种数据转换过程中无法避免地产生错误，如某个三角形的顶点在另一三角形边的中间、三角形不封闭等问题是实践中经常遇到的，这给后续数据处理带来麻烦，需要进一步检查修补。

三维模型的离散处理

通过专用的分层程序将三维实体模型（一般为5TL模型）分层，分层切片是在选定了制作（堆积）方向后，需

对CAD模型进行一维离散，获取每一薄层片截面轮廓及实体信息。通过一簇平行平面沿制作方向与CAD模型相截，所得到的截面交线就是薄层的轮廓信息，而实体信息是通过一些判别准则来获取的。平行平面之间的距离就是分层的厚度，也就是成型时堆积的单层厚度。在这一过程中，由于分层，破坏了切片方向CAD 模型表面的连续性，不可避免地丢失了模型的一些信息，导致零件尺寸及形状误差的产生。切片层的厚度直接影响零件的表面粗糙度和整个零件的型面精度，分层切片后所获得的每一层信息就是该层片上下轮廓信息及实体信息，而轮廓信息由于是用平面与CAD模型的STL文件（面型化后的CAD模型）求交获得的，所

以轮廓是由求交后的一系列交点顺序连成的折线段构成，所以，分层后所得到的模型轮廓已经是近似的，而层层之间的轮廓信息已经丢失，层厚大，丢失的信息多，导致在成型过程中产生了型面误差。

3快速成型技术在向产品生产化发展中所存在的主要问题

在制造业日趋国际化的状况下，缩短产品开发周期和减少开发新产品投资风险，成为企业赖以生存的关键。

因此，快速成型、快速制模、快速制造技术将会得到进一步发展。

3. 1快速成型技术研究中存在的问题。

1）材料问题.目前快速成型技术中成型材料的成型性能大多不太理想，成型件的物理性能不能满足功能性、

半功能性零件的要求，必须借助于后处理或二次开发刁’能生产岀令人满意的产品。由于材料技术开发的专门性，一般快速成型材料的价格都比较贵，造成生产成本提高。

2）高昂的设备价格.快速成型技术是综合计算机、激光、新材料、CAD/CAM集成等技术而形成的一种全新的

制造技术，是高科技的产物，技术含量较高，所以，目前快速成型设备的价格较贵，限制了快速成型技术的推广应用。

3）功能单一.现有快速成型机的成型系统都只能进行一种工艺成型，而且大多数只能用一种或少数几种材料

成型。这主要是因为快速成型技术的专利保护问题，各厂家只能生产自己开发的快速成型工艺成型设备，

随着技术的进步，这种保护体制已成为快速成型技术集成的障碍。

4）成型精度和质量问题.由于快速成型的成型工艺发展还不完善，特别是对快速成型软件技术的研究还不成

熟，目前快速成型零件的精度及表面质量大多不能满足工程直接使用的需要，不能作为功能性零件，只能

作原型使用。为提高成型件的精度和表面质量，必须改进成型工艺和快速成型软件。

5）应用问题.虽然快速成型技术在航空航天、汽车、机械、电子、电器、医学、玩具、建筑、艺术品等许多领域都已获得了广泛应用，但大多仅作为原型件进行新产品开发及功能测试等，如何生产岀能直接使用的零件是快速成型技术面临的一个重要问题。随着快速成型技的进一步推广应用，直接零件制造是快速成型技术发展的必然趋势。

6）软件问题。随着快速成型技术的不断发展，快速成型技术的软件问题越来越突岀，快速成型软件系统不但是实现离散/堆积成型的重要环节，对成型速度，成型精度，零件表面质量等方面都有很大影响，软件问题已成为快速成型技术发展的关键问题。

3. 2快速成型技术软件系统存在的问题

1）快速成型软件大多是随机安装，无法进行二次开发；

2）各公司的软件都是自行开发，没有统一的数据接口；

3）随机携带的快速成型软件都只能完成一种工艺的数据处理和控制成型；

4）已商品化的通用性软件价格较贵，功能单一，只能进行模型显示、加支撑、错误检验与修正等中的一种

或几种功能，而且也存在数据接口问题，不易集成；

5）商品化的软件还不完善，不能满足当前快速成型技术对成型速度、成型精度和质量的要求；

6）当前的数据转换模型缺陷较多，对CAD模型的描述不够精确，从而影响了快速成型的成型精度和质里。

4快速成型技术的发展方向

目前国内外快速成型的研究、开发的重点是快速成型技术的基本理论、新的快速成型方法、新材料的开发、

模具制作技术、金属零件的直接制造、生物技术与工程的开发与应用等。另外，还要追求RPM快速成型制造）的更快的制造速度、更高的制造精度、更高的可靠性，使RPM设备的安装使用外设化，操作智能化；使RPM设备的安装和使用变得非常简单，不需专门的操作人员。具体说来，有以下几点：

1）采用金属材料和高强度材料直接成型是RPM1要发展方向，采用金属材料和高强度材料直接制成功能零件是RPM快速成型制造）一个重要发展方向。

2）不同制造目标相对独立发展。从制造目标来说RPM快速成型制造）主要用于快速概念设计成型制造、快

速模具成型制造、快速功能测试成型制造及快速功能零件制造。

3）向大型制造与微型制造进军。由于大型模具的制造难度和RPM快速成型制造）在模具制造方面的优势，